光子晶体微腔的设计和特性研究仿真(3)
（2）在对文献中提出的微腔进行分析归纳的基础上，设计出一种光子晶体微腔并对其进行仿真，得到高的 Q 值。对仿真结果进行了讨论，比较，对影响微腔品质因数的因素进行了分析，并给出了解释。
全文各部分内容组织如下：
第一章 为论文的绪论。
第二章 为光子晶体的概述，简单介绍了光子晶体的基本概念，阐述了光子晶体的基本特性与应用，并简单介绍了光子晶体的制备。
第三章 对常用的理论研究方法进行分析，重点介绍了时域有限差分法和平面波展开法。由于数值解法大都耗时费内存，特别是对于三文问题，因此，有效折射率法也进行了介绍，并对几种方法进行了对比。
第四章 对光子晶体微腔的概述，简单介绍光子晶体微腔的基本原理与应用。根据局域场微调法的基本思想设计出基于三角晶格结构的平板光子晶体微腔结构；对光子晶体微腔进行仿真和分析，结果表明该结构可以获得高品质因数，同时保持很小的模式体积，并研究了光子晶体的结构参数对微腔品质因数的影响。
第二章 光子晶体
2.1 光子晶体的概念
光子晶体是介电常数在空间周期性分布的人工晶体材料，其周期是光波长的量级，之所以强调其空间分布是因为这决定了其能否相干，而材料的介电常数之比决定散射是否足够强。自E.M.Prucell 于1946年首次提出镜像层可以改变电偶极子辐射特性的理论之后，人们对改变材料的自发辐射产生了极大兴趣，并进行了大量的理论计算与实验研究。随后，由 E.Yablonoviteh[4]和 S.John[5]于 1987 年借鉴了半导体晶体及电子带隙的概念，首次分别独立提出了光子晶体（photonic crystal）的概念。光子晶体是由不同介电常数的介质材料在空间呈周期排布结构，当电磁波在其中传输时，遵循折射，反射，透射原理，电子周期性的布拉格散射使电磁波受到调制而形成类似电子的能带结构，这种能带结构成为光子带隙（photonic energy band）。在合适的晶格常数和介电常数比的条件下，类似于电子能带隙，在光子晶体的光子能带间可出现使某些频率的电磁波完全不能透过的频率区域，将此频率区域成为光子带隙（photonic band gap，PBG）或光子禁带，如图2.1所示。
图2.1 光子禁带示意图
光子晶体概念的提出引起了震动，因为它可以对光的传播进行操控。其科学意义在于：（1）建立了光子的能带理论，打开了控制光的传播及光与物质相互作用的新领域—凝聚态物理和光学的新交叉领域；（2）创造了一种人工设计的新材料—光子半导体；（3）为发展新型的光子器件奠定了物理基础。
与一般的电子晶体类似，光子晶体也有一文，二文，三文之分，如图2.2所示。
图 2.2 光子晶体的分类
一文光子晶体是介质在某一个方向周期性排列（另外两个方向，或者说与其垂直的平面）而形成的结构，其实是具有不同介电常数的材料交替排列的多层模，或者说是分布式布拉格反射器，虽然这一结构很早以前就出现了，但是将它当作光子晶体来研究却是近些年以来才出现的。它主要用于垂直腔面发射半导体激光器的反射镜。
二文光子晶体是同时在两个方向具有周期性，而第三个方向是均匀的，由周期排列的介质柱组成，也可以通过在介质衬底上钻周期排列的空气孔形成，光子带隙出现在具有周期性的两个方向组成的平面内，光在这个平面内传播时，谐波可以分为两种独立的偏振，即 TE 模和 TM 模，对于 TE 模，电场位于平面内，而对于 TM模，磁场位于平面内，它们都有各自的能带结构，但是对于介质柱光子晶体来说，TM 模式占主导地位，其相应的带隙也较宽，而在硅上钻空气孔的结构则是 TE模式占主导，并且光子带隙在TE模时较宽，这可以从计算得出的带隙图上看出来。